[发明专利]一种利用离子液体分离碳同位素的方法

说明书

本发明属于化工传质分离技术领域，本发明提供了一种利用离子液体分离稳定同位素(13C/12C)的方法，包括如下步骤：(1)将有机碱与含氮杂环类有机物或者有机酸类化合物混合在室温下制备得到离子液体并进行纯化；(2)在常温常压下或常温加压对初始原料二氧化碳气体进行化学交换；(3)常压解吸，得到高丰度13‑CO2的气体。该过程相比与目前工业使用的低温精馏法，主要优势在于常温操作，绿色低碳，作为化学交换溶剂的离子液体的合成与纯化过程经济、安全可靠，同位素交换反应的分离因子较高，为稳定同位素的分离及离子液体的应用提供了新途径。

技术领域

本发明属于化工传质分离技术领域，尤其涉及一种离子液体应用以及化学交换法分离同位素的方法。

背景技术

稳定同位素的天然丰度低，目前常见的工艺普遍存在分离系数小，平衡时间长的问题，较难富集。碳元素在地球上广泛分布于地壳、地幔、水圈以及大气圈中，是地球上生命赖以存在的基础，有机体中碳含量很高，是生物圈中最重要的元素之一。在不同的条件下可形成不同价态的化合物，它们之间存在着明显的同位素分馏。自然界有六种碳同位素：10C、11C、12C、13C、14C和15C。其中12C、13C是稳定同位素，14C是放射性同位素。一般地说，在碳的有机循环中，轻同位素容易摄入有机质(例如烃、石油中富含12C)中；而在无机循环中，重同位素倾向于富集在无机盐(例如碳酸盐富含13C)中。

13C稳定同位素的生产方法主要包括热扩散、精馏法、化学交换法以及激光法等。热扩散过程对于较小产量(100-200g)和较低富集浓度(<60％)较为适用。低温精馏技术是目前已经工业化的技术，但是其分离因子较低，低温操作要求整套装置运行需要大量的能量消耗，原料气毒性大且对进料气的纯度要求极高，需要较为繁琐的前处理工艺。化学交换法的研究始于二十世纪三十年代，主要用于轻同位素的分离。主要是利用同位素分子化合物零级振动能差异性进行分离，目前主要应用于2H、13C、15N、18O、34S等同位素分离，其中D2O绝大多数生产都是通过化学交换法实现的。化学交换法用于13C同位素分离基于不同的化学反应主要为碳酸氢盐法和氨基甲酸酯法，主要优势在于初始进料为二氧化碳，相较于一氧化碳更为安全，由于操作条件温和(常温常压)，对于进料的纯度要求并不十分苛刻，简化了工艺流程；而且分离因子较高，更具有发展潜力。但是其平衡时间长，产量较小，限制了其目前的应用。因此，针对目前化学交换法分离稳定同位素的工艺中存在的问题，结合目前性质优良的质子型离子液体作为化学交换溶剂设计新的同位素分离工艺。

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种分离工艺，主要体现在化学交换溶剂的选择方面，常规的化学交换溶剂存在平衡时间长和产率低的问题，需要寻找到更为优良的化学交换体系，结合离子液体结构与性质的特点，设计了利用离子液体分离稳定同位素的方法。

用于解决技术问题的方法

针对上述问题，本发明提出了一种利用离子液体分离稳定性碳同位素的方法，其包括以下步骤：

(1)将有机碱与含氮杂环类有机物或者有机酸类化合物在室温下混合，制备得到离子液体并进行纯化；

(2)在常温常压下或常温加压下，用所制得的离子液体与初始原料二氧化碳气体进行化学交换；

(3)在353K-383K温度下，对吸收了二氧化碳的离子液体溶液进行常压解吸，得到高丰度13-CO2的气体。

一种实施方式为，其中，所述有机碱含有脒基或者胍基结构，在室温下呈现为液态的碱性有机物，在骨架结构上存在饱和烷基或醇羟基取代的饱和烷烃类取代基；所述含氮杂环类有机物为五元或者六元杂环结构化合物；所述有机酸类化合物为甲酸，乙酸，丙酸，丁酸，苯酚中的一种。